Forskere forklarer, hvordan erosionsprocessen danner usædvanlige former og strukturer

Forskere ved Skolkovo Institut for Videnskab og Teknologi har gennem matematisk modellering fastslået, at erosionsprocessen optimerer formerne på desintegrerende materialer.

Naturlig vind- og vanderosion skaber ofte spektakulære landskabsformer såsom naturlige buer og broer, balancerede søjler og kupler. Nationalparkerne i Utah i USA er et sandt udstillingsvindue for disse smukke strukturer. Og dette fænomen er måske ikke begrænset til Jordens overflade; nyere beviser viser, at lignende landformer også kan være almindelige på Mars. Skønheden, stabilitet og teknisk præcision af naturlige buer har altid inspireret forbløffelse og nysgerrighed blandt geologer, såvel som arkitekter - naturen har en tendens til at danne såkaldte "køreledningsbuer", den mest stabile blandt mulige fritstående buer.

Spørgsmål om mekanismerne for dannelse af sådanne strukturer har længe været ubesvarede. Fraværet af overbevisende forklaringer på, hvordan tilfældige erosionsprocesser er i stand til at skulpturere så ikke-trivielle former som køreledningsbuer, har fået særlig interesse i sammenhæng med geomorfologien af ​​Mars og andre planeter, undertiden inspirerende fantasifulde spekulationer om arkitekturen i udenjordiske civilisationer.

Skoltech-forskere blev inspireret af en nylig undersøgelse, hvor forskere fra Charles University i Prag foreslog, at mekanismen bag dannelsen af ​​naturlige buer er den negative feedback mellem stress og hastigheden af ​​overfladeerosion. Med andre ord, naturlig erosion har en tendens til først at fjerne ustresset materiale, der er ineffektivt med hensyn til lastoverførsel. Årsagen til en sådan adfærd er en velkendt lov om tør friktion - jo større partikel af en sten, der er komprimeret mellem dens naboer, jo sværere er det at fjerne det.

"Denne enkle idé fangede vores opmærksomhed. Vi kunne ikke undgå at bemærke, at meget lignende metoder til at søge efter optimale former for ingeniørstrukturer blev brugt i vid udstrækning i moderne industri. Disse metoder, kendt som evolutionær strukturel optimering, er baseret på efterfølgende fjernelse af ineffektivt materiale. Det mest slående aspekt af denne lighed er det faktum, at det matematiske kriterium for materialefjernelse, der anvendes i ingeniøroptimeringstilgange, næsten nøjagtigt er det, der følger af erosionsprocessens fysik, " sagde Skoltech-forsker Igor Ostanin, undersøgelsens hovedforfatter.

I deres arbejde foreslog Skoltech-forskere at betragte fænomenet erosion som processen med formoptimering. De demonstrerede, at under en række rimelige betingelser, erosion udfører formoptimering af disintegrerende materiale, lokalt minimere den elastiske tøjningsenergi, der er lagret i bjergmassen. Det blev også vist, at under processen med dannelsen af ​​en stabil og velafbalanceret struktur, erosionshastigheden falder dramatisk, da strukturen ikke indeholder mere uanstrengt og ineffektivt materiale. Derfor, de strukturer, der oprindeligt blev eroderet med hastigheder, der kan observeres med det blotte øje, bliver stabile på geologiske tidsskalaer på tusindvis, og endda millioner, af år.

Dannelsen af ​​søjler, buer og andre eksotiske morfologier blev illustreret i numerisk modellering, bruge softwaren til optimering af topologi, udviklet hos Skoltech tidligere. Resultaterne af undersøgelsen er blevet offentliggjort i Naturvidenskabelige rapporter .